Tải bản đầy đủ

Luận văn thạc sĩ một số tính chất của đa thức đối xứng và ứng dụng trong đại số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
PHẠM VĂN THƯ
MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA ĐA THỨC
ĐỐI XỨNG VÀ ỨNG DỤNG
TRONG ĐẠI SỐ
LUẬN VĂN THẠC SỸ TOÁN HỌC
Chuyên ngành : PHƯƠNG PHÁP TOÁN SƠ CẤP
Mã số : 60. 46. 40.
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN MINH
THÁI NGUYÊN – 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mục lục
Mở đầu 3
1 Khái niệm cơ bản về đa thức đối xứng 5
1.1 Đa thức đối xứng hai biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Các khái niệm cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Tổng lũy thừa và công thức Waring . . . . . . . . . 6
1.1.3 Các định lý về đa thức đối xứng hai biến . . . . . . 9
1.2 Đa thức đối xứng ba biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Các khái niệm cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.2 Tổng lũy thừa và tổng nghịch đảo . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Quỹ đạo của đơn thức . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4 Các định lý của đa thức đối xứng ba biến . . . . . . 16
1.2.5 Đa thức phản đối xứng . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Ứng dụng tính chất của đa thức đối xứng để giải một số
bài toán đại số 21
2.1 Một số bài tập tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Phân tích đa thức thành nhân tử . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Phương trình đối xứng và phương trình hồi quy . . . . . . . 27
2.4 Giải hệ phương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Hệ phương trình đối xứng hai ẩn và ứng dụng . . . . 33
2.4.2 Hệ phương trình đối xứng ba ẩn . . . . . . . . . . . 37
2.5 Tìm nghiệm nguyên của các phương trình đối xứng . . . . . 42
2.6 Chứng minh các đẳng thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7 Chứng minh bất đẳng thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Đa thức đối xứng n biến và ứng dụng 58
3.1 Các khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Biểu diễn các tổng lũy thừa qua các đa thức đối xứng cơ sở 60
3.3 Các định lý của đa thức đối xứng nhiều biến . . . . . . . . 63
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.4 Đa thức phản đối xứng nhiều biến . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5 Phương trình và hệ phương trình . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6 Chứng minh đẳng thức. Phân tích đa thức thành nhân tử . 72
Kết luận 79
Tài liệu tham khảo 80
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mở đầu
Các bài toán đại số luôn chiếm một vị trí quan trọng đối với toán phổ
thông, cũng là lĩnh vực mà các nhà nghiên cứu sáng tạo ra rất đầy đủ
và hoàn thiện. Tính đối xứng trong đại số là một trong những phần quan
trọng của đại số sơ cấp, cũng là bài toán quen thuộc trong các tài liệu liên
quan đến đại số sơ cấp, các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia và quốc tế.
Trong quá trình giải nhiều bài toán đại số hoặc ở dạng trực tiếp hoặc ở
dạng gián tiếp mới nhận ra đó là bài toán liên quan đến đa thức đối xứng,
nếu giải mỗi bài toán này một cách đơn lẻ sẽ gặp không ít khó khăn và
tính hiệu quả không cao khi giải các bài toán cùng loại. Việc nắm bắt được
đầy đủ khái niệm và các tính chất cơ bản của đa thức đối xứng, thông qua
đó áp dụng giải một số bài toán liên quan đến đa thức đối xứng là vấn đề
được nhiều người quan tâm.
Luận văn này giới thiệu các khái niệm, tính chất của đa thức đối xứng
và các ứng dụng cơ bản để giải các bài toán đại số thường gặp trong chương
trình toán sơ cấp. Luận văn "Một số tính chất của đa thức đối xứng và
ứng dụng trong đại số" gồm có phần mở đầu, ba chương nội dung, kết
luận và tài liệu tham khảo.
Chương 1. Các khái niện cơ bản về đa thức đối xứng.
Trong chương này tác giả trình bày các khái niệm, tính chất của đa thức
đối xứng hai biến, ba biến. Một đóng góp nhỏ có ý nghĩa trong chương
này là Hệ quả 1.1 của công thức Newton. Công thức này thường được sử
dụng trong các bài toán tính giá trị biểu thức.
Chương 2. Ứng dụng tính chất của đa thức đối xứng để giải một số bài
toán đại số.
Chương này tác giả trình bày các ứng dụng của đa thức đối xứng bằng
các ví dụ minh họa cụ thể. Các ứng dụng này rất phổ biến trong các tài
liệu về đại số trong chương trình toán phổ thông.
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 3. Đa thức đối xứng n biến và ứng dụng.
Chương này tác giả trình bày các kiến thức của đa thức đối xứng n biến
và một số ứng dụng phổ biến thường gặp.
Luận văn nghiên cứu một phần rất nhỏ của đại số và đã thu được một số
kết quả nhất định. Tuy nhiên, luận văn chắc chắn còn nhiều thiếu xót, nên
rất mong được sự góp ý của các thầy cô, các bạn đồng nghiệp và độc giả
quan tâm đến nội dung luận văn để luận văn của tác giả được hoàn thiện
hơn.
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học - Đại học Thái
Nguyên dưới sự hường dẫn của TS. Nguyễn Văn Minh. Tác giả xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc tới sự quan tâm của thầy, tới các thầy cô trong Ban
Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Khoa Toán - Tin trường Đại học Khoa học.
Đồng thời tác giả xin cảm ơn tới Sở GD - ĐT tỉnh Yên Bái, Ban Giám
hiệu, các bạn đồng nghiệp tại trường THPT Hoàng Văn Thụ huyện Lục
Yên - Yên Bái và gia đình đã tạo điều kiện cho tác giả học tập và hoàn
thành bản luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2012.
Tác giả
Phạm Văn Thư
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 1
Khái niệm cơ bản về đa thức đối
xứng
1.1 Đa thức đối xứng hai biến
1.1.1 Các khái niệm cơ bản
Định nghĩa 1.1 (Theo [2]). Một đơn thức f(x,y) của các biến độc lập x,
y (trường hợp chung nhất có thể là các số phức) được hiểu là hàm số có
dạng
f(x, y) = a
kl
x
k
y
l
,
trong đó a
kl
= 0 là một số (hằng số), k, l là những số nguyên không âm.
Số a
kl
được gọi là hệ số, còn k+l được gọi là bậc của đơn thức f(x,y) và
được kí hiệu là
deg[f(x, y)] = deg[ax
k
y
l
] = k + l.
Các số k, l tương ứng được gọi là bậc của đơn thức đối với các biến x, y.
Như vậy, bậc của đơn thức hai biến bằng tổng các bậc của các đơn thức
theo từng biến.
Chẳng hạn: 3x
4
y
2
và x
2
y là các đơn thức theo x, y với bậc tương ứng
bằng 6 và 3.
Định nghĩa 1.2 (Theo [2]). Hai đơn thức của các biến x, y được gọi là
đồng dạng (tương tự), nếu chúng chỉ có hệ số khác nhau. Như vậy, hai đơn
thức được gọi là đồng dạng, nếu chúng có dạng: Ax
k
y
l
, Bx
k
y
l
(A = B).
Định nghĩa 1.3 (Theo [2]). Giả sử Ax
k
y
l
và Bx
m
y
n
là hai đơn thức của
các biến x, y. Ta nói rằng đơn thức Ax
k
y
l
trội hơn đơn thức Bx
m
y
n
theo
thứ tự của các biến x, y, nếu k > m, hoặc k = m và l > n.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chẳng hạn: Đơn thức 3x
4
y
2
trội hơn đơn thức 3x
2
y
7
, còn đơn thức x
4
y
5
trội hơn đơn thức x
4
y
3
.
Định nghĩa 1.4 (Theo [2]). Một hàm số P(x,y) được gọi là một đa thức
theo các biến số x, y, nếu nó có thể biểu diễn được dưới dạng tổng của hữu
hạn các đơn thức. Như vậy, đa thức P(x,y) theo các biến số x, y là hàm số
có dạng
P (x, y) =

k+l<m
a
kl
x
k
y
l
.
Bậc lớn nhất của các đơn thức trong đa thức được gọi là bậc của đa thức.
Định nghĩa 1.5 (Theo [2]). Đa thức P(x,y) được gọi là đối xứng của hai
biến x, y, nếu nó không thay đổi khi đổi chỗ của x và y, nghĩa là
P (x, y) = P (y, x)
Chẳng hạn:
P (x, y) = x
3
− xy + y
3
, Q(x, y) = x
2
y + xy
2
là các đa thức đối xứng của các biến x, y.
Định nghĩa 1.6 (Theo [2]). Các đa thức
σ
1
= x + y, σ
2
= xy.
được gọi là các đa thức đối xứng cơ sở của các biến x, y.
Định nghĩa 1.7 (Theo [2]). Đa thức đối xứng P(x,y) được gọi là thuần
nhất bậc m, nếu:
P (tx, ty) = t
m
P (x, y), ∀t = 0
1.1.2 Tổng lũy thừa và công thức Waring
Định nghĩa 1.8 (Theo [2]). Các đa thức s
k
= x
k
+ y
k
(k = 1, 2, ) được
gọi là tổng lũy thừa bậc k của các biến x, y.
Định lý 1.1 (Theo [2]). Mỗi tổng lũy thừa s
m
= x
m
+ y
m
có thể biểu diễn
được dưới dạng một đa thức bậc m của σ
1
và σ
2
Chứng minh. Ta có
σ
1
s
k−1
= (x + y)(x
k−1
+ y
k−1
) = x
k
+ y
k
+ xy(x
k−2
+ y
k−2
) = s
k
+ σ
2
s
k−2
.
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Như vậy
s
k
= σ
1
s
k−1
− σ
2
s
k−2
. (1.1)
Công thức (1.1) được gọi là công thức Newton, nó cho phép tính s
k
theo
s
k−1
và s
k−2
.
Với m=1, m=2, Định lý 1.1 đúng vì
s
1
= x + y = σ
1
,
s
2
= x
2
+ y
2
= (x + y)
2
− 2xy = σ
2
1
− 2σ
2
.
Giả sử định lý đã đúng cho m < k. Khi đó s
k−1
và s
k−2
lần lượt là các đa
thức bậc k-1, k-2 của σ
1
và σ
2
. Theo công thức (1.1) ta suy ra s
k
là đa
thức bậc k của σ
1
và σ
2
. Theo nguyên lý quy nạp ta có điều phải chứng
minh.
Hệ quả 1.1. Với m > n, ta có
s
m+n
= s
m
.s
n
− σ
n
2
.s
m−n
. (1.2)
Thật vậy,
s
m+n
= x
m+n
+ y
m+n
= (x
m
+ y
m
)(x
n
+ y
n
) − x
n
y
n
(x
m−n
+ y
m−n
) =
s
m
.s
n
− σ
n
2
.s
m−n
Sử dụng công thức (1.1) và các biểu thức của s
1
, s
2
ở chứng minh trên,
ta nhận được các biểu thức sau
s
1
= x + y = σ
1
,
s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
,
s
3
= σ
3
1
− 3σ
1
σ
2
,
s
4
= σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
,
s
5
= σ
5
1
− 5σ
3
1
σ
2
+ 5σ
1
σ
2
2
.
Việc tính các tổng lũy thừa s
k
theo công thức lặp (1.1) không được thuận
tiện vì phải biết trước các tổng s
k
và s
k−1
. Đôi khi ta cần có biểu thức s
k
chỉ phụ thuộc vào σ
1
và σ
2
. Công thức tương ứng được tìm ra năm 1779
bởi nhà toán học người Anh E.Waring.
Định lý 1.2 (Công thức Waring (Theo [2])). Tổng lũy thừa s
k
được biểu
diễn qua các đa thức đối xứng cơ sở σ
1
và σ
2
theo công thức
1
k
s
k
=
[k/2]

m=0
(−1)
m
(k − m − 1)!
m! (k − 2m)!
σ
k−2m
1
σ
m
2
, (1.3)
trong đó [k/2] kí hiệu là phần nguyên của k/2.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chứng minh. Ta chứng minh công thức (1.3) bằng phương pháp quy nạp.
Với k=1, k=2 công thức tương ứng có dạng
s
1
= σ
1
,
1
2
s
2
=
1
2
σ
2
1
− σ
2
.
Như vậy, với k=1, k=2 công thức (1.3) đúng. Giả sử công thức Waring đã
đúng cho s
1
, s
2
, , s
k−1
. Để chứng minh công thức đó đúng cho s
k
ta sử
dụng công thức (1.1). Ta có
1
k
s
k
=
1
k

1
s
k−1
− σ
2
s
k−2
] =
=
k − 1
k
σ
1
.

m=0
(−1)
m
(k − m − 2)!
m! (k − 2m − 1)!
σ
k−2m−1
1
σ
m
2


k − 1
k
σ
2
.

n
(−1)
n
(k − n − 3)!
n! (k − 2n − 2)!
σ
k−2n−2
1
σ
n
2
=
=
1
k

m
(−1)
m
(k − m − 2)! (k − 1)
m! (k − 2m − 1)!
σ
k−2m
1
σ
m
2


1
k

n
(−1)
n
(k − n − 3)! (k − 2)
n! (k − 2n − 2)!
σ
k−2n−2
1
σ
n+1
2
Trong tổng thứ hai thay n+1 bởi m. Khi đó hai tổng có thể kết hợp thành
một như sau:
1
k
s
k
=
1
k

(−1)
m
(k − m − 2)! (k − 1)
m! (k − 2m − 1)!
σ
k−2m
1
σ
m
2


1
k

m
(−1)
m−1
(k − m − 2)! (k − 2)
(m − 1)! (k − 2m)!
σ
k−2m
1
σ
m
2
=
1
k

m
(−1)
m
(k − m − 2)!

k − 1
m! (k − 2m − 1)!
+
k − 2
(m − 1)! (k − 2m)!

σ
k−2m
1
σ
m
2
.
Sử dụng công thức
1
(m − 1)!
=
m
m!
,
1
(k − 2m − 1)!
=
k − 2m
(k − 2m)!
,
ta có
(k − 1)(k − 2m)
m!(k − 2m)!
+
(k − 2)m
m!(k − 2m)!
=
k(k − m − 1)
m!(k − 2m)!
.
Cuối cùng, vì
(k − m − 1).(k − m − 2)! = (k − m − 1)!
nên ta có công thức cần phải chứng minh:
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1
k
s
k
=
[k/2]

m=0
(−1)
m
(k − m − 1)!
m! (k − 2m)!
σ
k−2m
1
σ
m
2
,
Công thức Waring cho biểu thức của s
n
= x
n
+ y
n
theo
σ
1
= x + y, σ
2
= xy sau đây
s
1
= σ
1
;
s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
;
s
3
= σ
3
1
− 3σ
1
σ
2
;
s
4
= σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
;
s
5
= σ
5
1
− 5σ
3
1
σ
2
+ 5σ
1
σ
2
2
;
s
6
= σ
6
1
− 6σ
4
1
σ
2
+ 9σ
2
1
σ
2
2
− 2σ
3
2
;
s
7
= σ
7
1
− 7σ
5
1
σ
2
+ 14σ
3
1
σ
2
2
− 7σ
1
σ
3
2
;
s
8
= σ
8
1
− 8σ
6
1
σ
2
+ 20σ
4
1
σ
2
2
− 16σ
2
1
σ
3
2
+ 2σ
4
2
;
s
9
= σ
9
1
− 9σ
7
1
σ
2
+ 27σ
5
1
σ
2
2
− 30σ
2
1
σ
3
2
+ 9σ
1
σ
4
2
;
s
10
= σ
10
1
− 10σ
8
1
σ
2
+ 35σ
6
1
σ
2
2
− 50σ
4
1
σ
3
2
+ 25σ
2
1
σ
4
2
− 2σ
5
2
;

1.1.3 Các định lý về đa thức đối xứng hai biến
Định lý 1.3 (Theo [2]). Mọi đa thức đối xứng P(x,y) của các biến x, y đều
có thể biểu diễn được dưới dạng đa thức p(σ
1
, σ
2
) theo các biến σ
1
= x + y
và σ
2
= xy, nghĩa là
P (x, y) = p(σ
1
, σ
2
) (1.4)
Chứng minh. Trước hết ta xét trường hợp đơn thức, trong đó lũy thừa của
x và y cùng bậc, nghĩa là đơn thức dạng ax
k
y
k
. Hiển nhiên là
ax
k
y
k
= a(xy)
k
= aσ
k
2
.
Tiếp theo, xét đơn thức dạng bx
k
y
l
(k = l). Vì đa thức là đối xứng, nên có
số hạng dạng bx
l
y
k
. Để xác định, ta giả sử k < l và xét tổng hai đơn thức
trên
b(x
k
y
l
+ x
l
y
k
) = bx
k
y
k
(x
l−k
+ y
l−k
) = bσ
k
2
s
l−k
.
Theo công thức Waring s
l−k
là một đa thức của các biến σ
1
, σ
2
, nên nhị
thức nói trên là một đa thức của σ
1
, σ
2
.
Vì mọi đa thức đối xứng là tổng của các số hạng dạng ax
k
y
k

b(x
k
y
l
+ x
l
y
k
), nên mọi đa thức đối xứng đều biểu diễn được ở dạng đa
thức theo các biến σ
1
và σ
2
.
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Định lý 1.4 (Tính duy nhất (Theo [2])). Nếu các đa thức ϕ(σ
1
, σ
2
) và
ψ(σ
1
, σ
2
) khi thay σ
1
= x + y, σ
2
= xy cho ta cùng một đa thức đối xứng
P(x,y), thì chúng phải trùng nhau, nghĩa là ϕ(σ
1
, σ
2
) ≡ ψ(σ
1
, σ
2
) .
Chứng minh. Đặt φ(σ
1
, σ
2
) = ϕ(σ
1
, σ
2
) −ψ(σ
1
, σ
2
). Khi đó theo giả thiết
ta có:
φ(x + y, xy) = ϕ(x + y, xy) −ψ(x + y, xy) = P (x, y) −P (x, y) = 0.
Ta sẽ chứng tỏ rằng φ(σ
1
, σ
2
) ≡ 0. Dễ thấy rằng, sau khi mở ngoặc thì
biểu thức
f (x, y) := (x + y)
k
(xy)
l
là một đa thức của các biến x, y và có số hạng trội nhất theo thứ tự các
biến x, y là x
k+l
y
l
.
Giả sử φ(σ
1
, σ
2
) có dạng
φ (σ
1
, σ
2
) =

k,l
A
kl
σ
k
1
σ
l
2
.
Để tìm số hạng trội nhất, ta chọn trong φ(σ
1
, σ
2
) các số hạng có k+l là
lớn nhất. Tiếp theo, trong các số hạng nói trên, chọn ra các số hạng với
giá trị lớn nhất của l. Ví dụ, nếu
φ(σ
1
, σ
2
) = 3σ
4
1
σ
2
− 4σ
2
1
σ
3
2
+ σ
1
σ
4
2
− 6σ
1
σ
2
2
+ 11σ
3
2
− 7σ
1
+ 5σ
2
+ 8
thì số hạng được chọn sẽ là σ
1
σ
4
2
.
Như vậy, giả sử chọn được đơn thức Aσ
m
1
σ
n
2
. Khi đó, nếu thay
σ
1
= x + y, σ
2
= xy, thì số hạng trội nhất của φ sẽ là Ax
m+n
y
n
. Thật vậy,
giả sử Bσ
k
1
σ
l
2
là đơn thức tùy ý khác với Ax
m+n
y
n
. Khi đó theo cách chọn
có hoặc m+n > l+l, hoặc m+n = k+l, nhưng n > l. Trong cả hai trường
hợp thì Ax
m+n
y
n
trội hơn Bx
k+l
y
l
.
Vậy chứng tỏ rằng Ax
m+n
y
n
là đơn thức trội nhất của φ(x + y, xy), nên
φ(x + y, xy) = 0, ∀x, y nếu φ(σ
1
, σ
2
) = 0. Vậy, ta có φ(σ
1
, σ
2
) ≡ 0.
Ví dụ 1.1. Biểu diễn đa thức sau theo các đa thức đối xứng cơ sở
f (x, y) = x
5
+3x
3
y
2
−x
3
y
3
+2xy
4
−7x
2
y
2
+y
5
+3x
2
y
3
−5xy
3
−5x
3
y+2x
4
y
= −x
3
y
3
− 7x
2
y
2
+

x
5
+ y
5

+ 3

x
3
y
2
+ x
2
y
3

+ 2

xy
4
+ x
4
y


5

xy
3
+ x
3
y

=
= −x
3
y
3
−7x
2
y
2
+

x
5
+ y
5

+3x
2
y
2
(x + y)+2xy

y
3
+ x
3

−5xy

y
2
+ x
2

= −σ
3
2
− 7σ
2
2
+ s
5
+ 3σ
2
2
σ
1
+ 2σ
2
s
3
− 5σ
2
s
2
=
= −σ
3
2
−7σ
2
2
+(σ
5
1
−5σ
3
1
σ
2
+5σ
1
σ
2
2
)+3σ
1
σ
2
2
+2σ
2

3
1
−3σ
1
σ
2
)−5σ
2

2
1
−2σ
2
)
= σ
5
1
− 3σ
3
1
σ
2
− 5σ
2
1
σ
2
+ 2σ
1
σ
2
2
− σ
3
2
+ 3σ
2
2
.
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.2 Đa thức đối xứng ba biến
1.2.1 Các khái niệm cơ bản
Định nghĩa 1.9 (Theo [2]). Một đơn thức ϕ(x, y, z) của các biến x, y, z
được hiểu là hàm số có dạng
ϕ(x, y, z) = a
klm
x
k
y
l
z
m
,
trong đó k, l, m ∈ N được gọi là bậc của các biến x, y, z;
số a
klm
∈ R

= R\{0} được gọi là hệ số của đơn thức, còn số k+l+m gọi
là bậc của đơn thức ϕ(x, y, z).
Định nghĩa 1.10 (Theo [2]). Một hàm số P(x,y,z) của các biến x, y, z
được gọi là một đa thức, nếu nó có thể được biểu diễn ở dạng tổng hữu hạn
các đơn thức:
P (x, y, z) =

k+l+m≤n
a
klm
x
k
y
l
z
m
.
Bậc lớn nhất của các đơn thức trong đa thức được gọi là bậc của đa thức.
Định nghĩa 1.11 (Theo [2]). Đa thức P(x,y,z) được gọi là đối xứng của
các biến x, y, z, nếu nó không thay đổi với mọi hoán vị của x, y, z, nghĩa

P (x, y, z) = P (x, z, y) = P (y, x, z) = P (y, z, x) = P (z, y, x) = P (z, x, y).
Chẳng hạn các đa thức dưới đây là những đa thức đối xứng theo các
biến x, y, z
x
4
+ y
4
+ z
4
− 2x
2
y
2
− 2x
2
z
2
− 2y
2
z
2
;
(x + y)(x + z)(y + z);
(x − y)
2
(y − z)
2
(z −x)
2
.
Định nghĩa 1.12 (Theo [2]). Đa thức đối xứng P(x,y) được gọi là thuần
nhất bậc m, nếu:
P (tx, ty, tz) = t
m
P (x, y, z), ∀t = 0
Định nghĩa 1.13 (Theo [2]). Các đa thức
σ
1
= x + y + z, σ
2
= xy + yz + zx, σ
3
= xyz,
được gọi là các đa thức đối xứng cơ sở của các biến x, y, z.
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.2.2 Tổng lũy thừa và tổng nghịch đảo
Định nghĩa 1.14 (Theo [2]). Các đa thức s
k
= x
k
+y
k
+z
k
, (k = 0, 1, ),
được gọi là tổng lũy thừa bậc k của các biến x, y, z.
Định lý 1.5 (Công thức Newton (Theo [2])). Với mọi k ∈ Z, ta có hệ
thức
s
k
= σ
1
s
k−1
− σ
2
s
k−2
+ σ
3
s
k−3
(1.5)
Chứng minh. Thật vậy, ta có
σ
1
s
k−1
− σ
2
s
k−2
+ σ
3
s
k−3
=
= (x + y + z)(x
k−1
+ y
k−1
+ z
k−1
)−
−(xy + xz + yz)(x
k−2
+ y
k−2
+ z
k−2
) + xyz(x
k−3
+ y
k−3
+ z
k−3
) =
= (x
k
+ y
k
+ z
k
+ xy
k−1
+ x
k−1
y + xz
k−1
+ x
k−1
z + yz
k−1
+ y
k−1
z)−
−(x
k−1
y + xy
k−1
+ x
k−1
z + xz
k−1
+ y
k−1
z + yz
k−1
+
+xyz
k−2
+ xy
k−2
z + x
k−2
yz) + (x
k−2
yz + xy
k−2
z + xyz
k−2
) =
= x
k
+ y
k
+ z
k
= s
k
.
Định lý 1.6 (Theo [2]). Mỗi tổng lũy thừa s
k
= x
k
+ y
k
+ z
k
đều có thể
biểu diễn được dưới dạng một đa thức bậc n theo các biến σ
1
, σ
2
, σ
3
.
Chứng minh. Ta chứng minh định lý bằng phương pháp quy nạp. Ta có
s
0
= 3, s
1
= x + y + z = σ
1
s
2
= x
2
+ y
2
+ z
2
= (x + y + z)
2
− 2(xy + yz + zx) = σ
2
1
− 2σ
2
.
Như vậy, Định lý đúng với n = 0, n = 1, n = 2. Giả sử định lý đúng với
n = k −1, n = k −2, n = k −3(k > 3). Khi đó, theo công thức Newton,
Định lý cũng đúng với n = k.
Công thức (1.5) cho phép biểu diễn các tổng lũy thừa s
k
theo các đa
thức đối xứng cơ sở σ
1
, σ
2
, σ
3
, nếu biết trước công thức biểu diễn của
s
k−1
, s
k−2
. Định lý sau cho ta công thức biểu diễn trực tiếp s
k
theo các đa
thức đối xứng cơ sở σ
1
, σ
2
, σ
3
.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Định lý 1.7 (Công thức Waring (Theo [2])). Tổng lũy thừa s
k
được biểu
diễn qua các đa thức đối xứng cơ sở theo công thức
1
k
s
k
=

l+2m+3n=k
(−1)
k−l−m−n
(l + m + n − 1)!
l!m!n!
σ
l
1
σ
m
2
σ
n
3
. (1.6)
Công thức (1.6) được chứng minh bằng phương pháp quy nạp với sự trợ
giúp của công thức (1.5). Nhờ công thức Waring chúng ta có thể tìm được
các công thức sau
Biểu thức của s
n
= x
n
+ y
n
+ z
n
tính theo σ
1
, σ
2
, σ
3
.
s
0
= 3;
s
1
= σ
1
;
s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
;
s
3
= σ
3
1
− 3σ
1
σ
2
+ 3σ
3
;
s
4
= σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
+ 4σ
1
σ
3
;
s
5
= σ
5
1
− 5σ
3
1
σ
2
+ 5σ
1
σ
2
2
+ 5σ
2
1
σ
3
− 5σ
2
σ
3
;
s
6
= σ
6
1
− 6σ
4
1
σ
2
+ 9σ
2
1
σ
2
2
− 2σ
3
2
+ 6σ
3
1
σ
3
− 12σ
1
σ
2
σ
3
+ 3σ
2
3
;
s
7
= σ
7
1
− 7σ
5
1
σ
2
+ 14σ
3
1
σ
2
2
− 7σ
1
σ
3
2
+ 7σ
4
1
σ
3
− 21σ
2
1
σ
2
σ
3
+ 7σ
1
σ
2
3
+ 7σ
2
2
σ
3
;
s
8
= σ
8
1
− 8σ
6
1
σ
2
+ 20σ
4
1
σ
2
2
− 16σ
2
1
σ
3
2
+ 2σ
4
2
+ 8σ
5
1
σ
3
− 32σ
3
1
σ
2
σ
3
+
+12σ
2
1
σ
2
3
+ 24σ
1
σ
2
2
σ
3
− 8σ
2
σ
2
3
;
s
9
= σ
9
1
− 9σ
7
1
σ
2
+ 27σ
5
1
σ
2
2
− 30σ
2
1
σ
3
2
+ 9σ
1
σ
4
2
+ 9σ
6
1
σ
3

−45σ
4
1
σ
2
σ
3
+ 54σ
2
1
σ
2
2
σ
3
+ 18σ
3
1
σ
2
3
− 9σ
3
2
σ
3
− 27σ
1
σ
2
σ
2
3
+ 3σ
3
3
;
s
10
= σ
10
1
− 10σ
8
1
σ
2
+ 35σ
6
1
σ
2
2
− 50σ
4
1
σ
3
2
+ 25σ
2
1
σ
4
2
− 2σ
5
2
+ 10σ
7
1
σ
3

−60σ
5
1
σ
2
σ
3
+ 100σ
3
1
σ
2
2
σ
3
+ 25σ
4
1
σ
2
3
− 40σ
1
σ
3
2
σ
3
− 60σ
2
1
σ
2
σ
2
3
+ 10σ
1
σ
3
3
+ 15σ
2
2
σ
2
3
;

Định nghĩa 1.15 (Theo [2]). Các biểu thức
s
−k
= x
−k
+ y
−k
+ z
−k
=
1
x
k
+
1
y
k
+
1
z
k
, (k = 1, 2, )
được gọi là tổng nghịch đảo của các biến x, y, z.
Do công thức (1.5) đúng với ∀k ∈ Z, nên nếu trong công thức đó thay
k bởi 3 − k, ta được
s
−k
=
σ
2
σ
3
s
1−k

σ
1
σ
3
s
2−k
+
1
σ
3
s
3−k
(1.7)
Sử dụng công thức (1.7) có thể tìm được các biểu thức của các tổng nghịch
đảo theo các đa thức đối xứng cơ sở. Chẳng hạn:
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
s
−1
=
σ
2
σ
3
s
0

σ
1
σ
3
s
1
+
1
σ
3
s
2
=
σ
2
σ
3
.3 −
σ
1
σ
3

1
+
1
σ
3

2
1
− 2σ
2
) =
σ
2
σ
3
;
s
−2
=
σ
2
σ
3
s
−1

σ
1
σ
3
s
0
+
1
σ
3
s
1
=
σ
2
σ
3
.
σ
2
σ
3

σ
1
σ
3
.3 +
1
σ
3
σ
1
=
σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
σ
2
3
;
s
−3
=
σ
2
σ
3
s
−2

σ
1
σ
3
s
−1
+
1
σ
3
s
0
=
σ
2
σ
3
.
σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
σ
2
3

σ
1
σ
3
.
σ
2
σ
3
+
1
σ
3
.3 =
=
σ
3
2
− 3σ
1
σ
2
σ
3
+ 3σ
2
3
σ
3
3
;
s
−4
=
σ
2
σ
3
s
−3

σ
1
σ
3
s
−2
+
1
σ
3
s
−1
=
=
σ
2
σ
3
.
σ
3
2
− 3σ
1
σ
2
σ
3
+ 3σ
2
3
σ
3
3

σ
1
σ
3
.
σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
σ
2
3
+
1
σ
3
.
σ
2
σ
3
=
=
σ
4
2
− 4σ
1
σ
2
2
σ
3
+ 4σ
2
σ
2
3
+ 2σ
2
1
σ
2
3
σ
4
3
1.2.3 Quỹ đạo của đơn thức
Định nghĩa 1.16 (Theo [2]). Đa thức đối xứng với số các số hạng tối
thiểu, một trong các số hạng của nó là đơn thức x
k
y
l
z
m
được gọi là quỹ
đạo của đơn thức x
k
y
l
z
m
và được kí hiệu là O(x
k
y
l
z
m
).
Rõ ràng là để tìm quỹ đạo của đơn thức x
k
y
l
z
m
cần phải bổ sung vào đơn
thức đó tất cả các hoán vị của x, y, z. Với k = l = m, ta có:
O(x
k
y
l
z
m
) = x
k
y
l
z
m
+ x
k
y
m
z
l
+ x
l
y
k
z
m
+ x
l
y
m
z
k
+ x
m
y
k
z
l
+ x
m
y
l
z
k
.
Ví dụ 1.2 (Theo [5]). Ta có
O(x
5
y
2
z) = x
5
y
2
z + x
5
yz
2
+ x
2
y
5
z + x
2
yz
5
+ xy
5
z
2
+ xy
2
z
5
;
O(x
3
y) = O(x
3
yz
0
) = x
3
y + xy
3
+ x
3
z + xz
3
+ y
3
z + yz
3
.
Nếu trong đơn thức x
k
y
l
z
m
có hai số mũ nào đó bằng nhau, chẳng hạn
k = l = m, thì
O(x
k
y
k
z
m
) = x
k
y
k
z
m
+ x
k
y
m
z
k
+ x
m
y
k
z
k
Chẳng hạn: O(xyz
5
) = xyz
5
+ xy
5
z + x
5
yz,
O(xy) = xy + yz + zx,
O(x
3
y
3
) = x
3
y
3
+ x
3
z
3
+ y
3
z
3
.
Các trường hợp riêng của quỹ đạo:
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
O(x) = O(xy
0
z
0
) = x + y + z = σ
1
,
O(xy) = O(xyz
0
) = xy + yz + zx = σ
2
,
O(xyz) = xyz = σ
3
, O(x
k
) = O(x
k
y
0
z
0
) = x
k
+ y
k
+ z
k
= s
k
, k ∈ N.
Định lý 1.8 (Theo [2]). Quỹ đạo của mọi đơn thức biểu diễn được dưới
dạng đa thức theo các đơn thức đối xứng cơ sở.
Chứng minh. Trước hết ta có O(x
k
) = s
k
, nên theo định lý (1.6), O(x
k
)
biểu diễn được theo các đa thức đối xứng cơ sở.
Trường hợp quỹ đạo có dạng O(x
k
y
l
). Ta có công thức
O(x
k
y
l
) = O(x
k
)O(x
l
) − O(x
k+l
)(k = l). (1.8)
Thật vậy, ta có
O(x
k
)O(x
l
)−O(x
k+l
) = (x
k
+y
k
+z
k
)(x
l
+y
l
+z
l
)−(x
k+l
+y
k+l
+z
k+l
) =
= (x
k+l
+ y
k+l
+ z
k+l
) + (x
k
y
l
+ x
l
y
k
+ x
k
z
l
+ x
l
z
k
+ y
k
z
l
+ y
l
z
k
)−
−(x
k+l
+ y
k+l
+ z
k+l
) =
= x
k
y
l
+ x
l
y
k
+ x
k
z
l
+ x
l
z
k
+ y
k
z
l
+ y
l
z
k
= O(x
k
y
l
).
Nếu k = l thì công thức (1.8) được thay bởi công thức sau:
O(x
k
y
k
) =
1
2
[(O(x
k
))
2
− O(x
2k
)]. (1.9)
Từ (1.8) và (1.9), suy ra các quỹ đạo O(x
k
y
l
) biểu diễn được dưới dạng
đa thức theo các biến σ
1
, σ
2
, σ
3
.
Cuối cùng, nếu đơn thức x
k
y
l
z
m
phụ thuộc vào cả ba biến x, y, z, nghĩa
là k = l = m = 0, thì đơn thức x
k
y
l
z
m
sẽ chia hết cho lũy thừa với số mũ
nào đó của xyz. Vì vậy trong đa thức O(x
k
y
l
z
m
) có thể đưa lũy thừa với
số mũ nào đó của xyz = σ
3
ra ngoài ngoặc, khi đó trong ngoặc chỉ là quỹ
đạo phụ thuộc vào số biến ít hơn ba. Do đó, quỹ đạo O(x
k
y
l
z
m
) biểu diễn
được dưới dạng đa thức của σ
1
, σ
2
, σ
3
.
Bằng cách trên ta dễ dàng nhận được các công thức sau:
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Quỹ đạo O(x
k
y
l
) biểu diễn ở dạng đa thức theo σ
1
, σ
2
, σ
3
.
O(xy) = σ
2
;
O(x
2
y) = σ
1
σ
2
− 3σ
3
;
O(x
3
y) = σ
2
1
σ
2
− 2σ
2
2
− σ
1
σ
3
;
O(x
2
y
2
) = σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
;
O(x
4
y) = σ
3
1
σ
2
− 3σ
1
σ
2
2
− σ
2
1
σ
3
+ 5σ
2
σ
3
;
O(x
3
y
2
) = σ
1
σ
2
2
− 2σ
2
1
σ
3
− σ
2
σ
3
;
O(x
5
y) = σ
4
1
σ
2
− 4σ
2
1
σ
2
2
− σ
3
σ
3
+ 7σ
1
σ
2
σ
3
+ 2σ
3
2
− 3σ
2
3
;
O(x
4
y
2
) = σ
2
1
σ
2
2
− 2σ
3
2
− 2σ
3
1
σ
3
+ 4σ
1
σ
2
σ
3
− 3σ
2
3
;
O(x
3
y
3
) = σ
3
2
+ 3σ
2
3
− 3σ
1
σ
2
σ
3
;

Sử dụng các công thức biểu diễn của tổng nghịch đảo theo các đa thức cơ
sở, dễ dàng tìm được các quỹ đạo O(x
k
y
k
). Thật vậy, ta có
s
−k
=
1
x
k
+
1
y
k
+
1
z
k
=
y
k
z
k
+ x
k
z
k
+ x
k
y
k
x
k
y
k
z
k
=
O(x
k
y
k
)
σ
k
3
.
Suy ra
O(x
k
y
k
) = σ
k
3
s
−k
;
O(x
2
y
2
) = σ
2
3
s
−2
= σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
;
O(x
3
y
3
) = σ
3
3
s
−3
= σ
3
2
− 3σ
1
σ
2
σ
3
+ 3σ
2
3
;
O(x
4
y
4
) = σ
4
3
s
−4
= σ
4
2
− 4σ
1
σ
2
2
σ
3
+ 4σ
2
σ
2
3
+ 2σ
2
1
σ
2
3
;
1.2.4 Các định lý của đa thức đối xứng ba biến
Định lý 1.9 (Theo [2]). Mọi đa thức đối xứng ba biến x, y, z đều có thể
biểu diễn dưới dạng đa thức theo các biến σ
1
= x+y+z, σ
2
= xy+yz +zx,
σ
3
= xyz.
Chứng minh. Giả sử f(x, y, z) là đa thức đối xứng và ax
k
y
l
z
m
là một
trong các số hạng của f(x, y, z). Do tính đối xứng, cùng với số hạng trên,
f(x, y, z) chứa quỹ đạo O(x
k
y
l
z
m
) với thừa số chung là a. Như vậy ta có
f(x, y, z) = a.O(x
k
y
l
z
m
) + f
1
(x, y, z), (1.10)
trong đó f
1
(x, y, z) là đa thức đối xứng nào đó với ít số hạng hơn. Đối với
f
1
(x, y, z) ta lại có công thức tương tự nhờ công thức (1.9). Theo một số
hữu hạn bước nói trên, ta có thể phân tích đa thức f (x, y, z) thành tổng
các quỹ đạo. Theo định lý (1.8), mỗi quỹ đạo lại là một đa thức theo các
đa thức đối xứng cơ sở, do đó mọi đa thức đối xứng có thể biểu diễn được
ở dạng đa thức theo các đa thức đối xứng cơ sở.
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Định lý 1.10 (Định lý duy nhất (Theo [2])). Nếu các đa thức ϕ(σ
1
, σ
2
, σ
3
)
và ψ(σ
1
, σ
2
, σ
3
) khi σ
1
= x + y + z, σ
2
= xy + yz + zx, σ
3
= xyz cho ta
cùng một đa thức đối xứng P(x,y,z), thì chúng phải trùng nhau, nghĩa là
ϕ(σ
1
, σ
2
, σ
3
) ≡ ψ(σ
1
, σ
2
, σ
3
) .
Chứng minh. Để thuận tiện ta đặt
t
1
= σ
1
, t
2
= σ
2
, t
3
= σ
3
; x
1
= x, x
2
= y, x
3
= z.
φ(t
1
, t
2
, t
3
) = ϕ(t
1
, t
2
, t
3
) − ψ(t
1
, t
2
, t
3
).
Theo giả thiết ta có
φ(σ
1
, σ
2
, σ
3
) = P (x
1
, x
2
, x
3
) − P (x
1
, x
2
, x
3
) = 0.
∀σ
1
= x
1
+ x
2
+ x
3
, σ
2
= x
1
x
2
+ x
1
x
3
+ x
2
x
3
, σ
3
= x
1
x
2
x
3
Ta chứng minh φ là đa thức không, nghĩa là đồng nhất bằng không. Đặt
Q(x
1
, x
2
, x
3
) = φ(x
1
+x
2
+x
3
, x
1
x
2
+x
1
x
3
+x
2
x
3
, x
1
x
2
x
3
) = φ(σ
1
, σ
2
, σ
3
).
Rõ ràng Q(x
1
, x
2
, x
3
) là đa thức đối xứng. Ta viết lại φ(t
1
, t
2
, t
3
) ở dạng
φ(t
1
, t
2
, t
3
) = φ
0
(t
1
, t
2
) + φ
1
(t
1
, t
2
)t
3
+ φ
2
(t
1
, t
2
)t
2
3
+ + φ
m
(t
1
, t
2
)t
m
3
và kí hiệu τ
1
, τ
2
là những đa thức đối xứng cơ sở của các biến x
1
, x
2
. Dễ
thấy rằng
σ
k
(x
1
, x
2
, 0) = τ
k
(x
1
, x
2
) (k=1, 2), σ
3
(x
1
, x
2
, 0) = τ
3
(x
1
, x
2
) = 0.
Theo điều kiện của bài toán ta có
Q(x
1
, x
2
, x
3
) = φ
0

1
, σ
2
)+φ
1

1
, σ
2

3

2

1
, σ
2

2
3
+ +φ
m

1
, σ
2

m
3
=
0, ∀x
1
, x
2
, x
3
.
Khi đó thì
R(x
1
, x
2
) := Q(x
1
, x
2
, 0) = φ
0

1
, τ
2
) = 0, ∀x
1
, x
2
.
Vì R(x
1
, x
2
) là đa thức đối xứng hai biến, nên theo định lý tính duy nhất
của đa thức đối xứng hai biến (1.4) suy ra φ
0
đồng nhất bằng không. Như
vậy ta có
Q(x
1
, x
2
, x
3
) = σ
3

1

1
, σ
2
) + φ
2

1
, σ
2

3
+ + φ
m

1
, σ
2

m−1
3
] = 0,
∀x
1
, x
2
, x
3
.
vì σ
3
= 0, nên đa thức
Q(x
1
, x
2
, x
3
) = φ
1

1
, σ
2
) + φ
2

1
, σ
2

3
+ + φ
m

1
, σ
2

m−1
3
= 0,
∀x
1
, x
2
, x
3
.
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lập luận tương tự như trên suy ra φ
1
đồng nhất bằng không. Tương tự có
φ
2
, φ
3
, , φ
m
là những đa thức không. Vậy φ là đa thức không.
Để biểu diễn một đa thức đối xứng qua các đa thức đối xứng cơ sở, một
cách tổng quát, ta tiến hành theo các bước như trong chứng minh định lý
(1.9). Tuy nhiên, trong trường hợp đa thức là thuần nhất, ta có thể dùng
phương pháp " hệ số bất định". Cơ sở của phương pháp này là mệnh đề
sau.
Mệnh đề 1.1 (Theo [2]). Cho f
m
(x, y, z) là một đa thức đối xứng thuần
nhất bậc m. Khi đó f
m
(x, y, z) được biểu diễn qua các đa thức đối xứng cơ
sở theo công thức
f
m
(x, y, z) =

i+2j+3k=m
a
ijk
σ
i
1
σ
j
2
σ
k
3
, (i, j, k ∈ N).
Mệnh đề 1.1 được suy ra từ các định lý của đa thức đối xứng với
σ
1
, σ
2
, σ
3
lần lượt có bậc là 1, 2, 3 đối với các biến x, y, z. Dưới đây là một
số trường hợp riêng của mệnh đề.
f
1
(x, y, z) = a
1
σ
1
;
f
2
(x, y, z) = a
1
σ
2
1
+ a
2
σ
2
;
f
3
(x, y, z) = a
1
σ
3
1
+ a
2
σ
1
σ
2
+ a
3
σ
3
;
f
4
(x, y, z) = a
1
σ
4
1
+ a
2
σ
2
1
σ
2
+ a
3
σ
2
2
+ a
4
σ
1
σ
3
;
f
5
(x, y, z) = a
1
σ
5
1
+ a
2
σ
3
1
σ
2
+ a
3
σ
1
σ
2
2
+ a
4
σ
2
1
σ
3
+ a
5
σ
2
σ
3
;
trong đó, a
i
(i = 1, 2, ) là các hằng số được xác định duy nhất (theo định
lý 1.10) và để tìm các hệ số này, ta cho x, y, z nhận các giá trị cụ thể thích
hợp nào đó.
Ví dụ 1.3. Biểu diễn đa thức sau đây theo các đa thức đối xứng cơ sở
f(x, y, z) = x
4
+ y
4
+ z
4
− 2x
2
y
2
− 2x
2
z
2
− 2y
2
z
2
.
Lời giải. Ta có
f(x, y, z) = O(x
4
) − 2O(x
2
y
2
) =
= (σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
+ 4σ
1
σ
3
) − 2(σ
2
2
− 2σ
1
σ
3
) = σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
.
Ví dụ 1.4. Biểu diễn đa thức sau đây theo các đa thức đối xứng cơ sở
f(x, y, z) = (x −y)
2
(y − z)
2
(z −x)
2
.
Lời giải. Do f(x, y, z) là đa thức thuần nhất bậc 6, nên theo mệnh đề (1.1)
ta có
18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
f(x, y, z) = a
1
σ
6
1
+ a
2
σ
4
1
σ
2
+ a
3
σ
2
1
σ
2
2
+ a
4
σ
3
2
+ a
5
σ
3
1
σ
3
+ a
6
σ
2
3
+ a
7
σ
1
σ
2
σ
3
.
Nhận xét rằng, f(x, y, z) có bậc cao nhất đối với từng biến là 4, nên
a
1
= a
2
= 0. Để tìm các hệ số còn lại, ta cho (x,y,z) lần lượt các giá trị
(0, 1, −1), (0, 1, 1), (1, 1, −2), (−1, 1, 1), (1, 1, 1), ta tìm được a
3
= 1,
a
4
= −4, a
5
= −4, a
6
= −27, a
7
= 18. Vậy ta có kết quả
f(x, y, z) = σ
2
1
σ
2
2
− 4σ
3
2
− 4σ
3
1
σ
3
− 27σ
2
3
+ 18σ
1
σ
2
σ
3
.
1.2.5 Đa thức phản đối xứng
Định nghĩa 1.17 (Theo [2]). Đa thức phản đối xứng là đa thức thay đổi
dấu khi thay đổi vị trí của hai biến bất kì.
Ví dụ: Các đa thức x −y và x
4
y
2
−y
4
x
2
+ x
4
y −y
4
x + x
3
y
2
−x
2
y
3
, là
các đa thức phản đối xứng hai biến, còn đa thức (x − y)(x − z)(y − z) là
đa thức phản đối xứng ba biến đơn giản.
Định lý 1.11 (Định lý Benzout (Theo [2])). Giả sử f(t) là đa thức bậc
n  1 . Khi đó số dư trong phép chia của đa thức cho t −a bằng f (a). Đa
thức f(t) chia hết cho t −a khi và chỉ khi f(a) = 0 .
Chứng minh. Thật vậy, thực hiện phép chia đa thức f(t) cho t−a, ta được
f(t) = g(t)(t − a) + r(t).
Vì t − a có bậc bằng 1, nên đa thức dư r(t) có bậc bằng không, nghĩa là
r(t)=r là hằng số. Trong đẳng thức trên cho t = a, ta được r = f(a). Từ
đó suy ra f(t) chia hết cho t − a khi và chỉ khi f(a) = 0.
Định lý 1.12 (Theo [2]). Mọi đa thức phản đối xứng hai biến f(x, y) đều
có dạng:
f(x, y) = (x − y)g(x, y), (1.11)
trong đó g(x, y) là đa thức đối xứng theo các biến x, y.
Chứng minh. Ta thấy rằng f(x, y) là đa thức phản đối xứng thì
f(x, x) = 0, vì theo định nghĩa ta có
f(x, y) = −f (y, x).
Trong đẳng thức trên đặt y = x, thì f(x, x) = −f (x, x), suy ra f(x, x) = 0.
Ta kí hiệu F
y
(x) = f (x, y) là đa thức chỉ theo biến x (coi y là tham số).
Theo nhận xét trên, ta có F
y
(y) = 0. Theo Định lý Bezout, đa thức F
y
(x)
chia hết cho x − y, do đó f(x, y) chia hết cho x − y, nghĩa là có
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
f(x, y) = (x − y)g(x, y),
trong đó g(x, y) là đa thức nào đó. Trong công thức (1.11) đổi chỗ của x
và y ta có
f(y, x) = (y −x)g(y, x),
Vì theo giả thiết f (x, y) = −f (y, x) và cũng vì x −y = −(y −x) , nên ta
có:
f(x, y) = (x − y)g(y, x), (1.12)
Từ (1.11) và (1.12), suy ra g(x, y) là đa thức đối xứng theo các biến x,y.
Định lý 1.13 (Theo [2]). Mọi đa thức phản đối xứng ba biến f(x, y, z)
đều có dạng
f(x, y, z) = (x −y)(x − z)(y −z)g(x, y, z),
trong đó g(x, y, z) là đa thức đối xứng theo các biến x, y, z.
Định lý (1.13) được chứng minh tương tự định lý (1.12). Trong đa thức
phản đối xứng, các đa thức x − y và T = (x − y)(x − z)(y −z) đóng vai
trò rất quan trọng và được gọi là các đa thức phản đối xứng đơn giản nhất
tương ứng đối với đa thức phản đối xứng hai biến và ba biến.
Đối với đa thức phản đối xứng thuần nhất, ta có kết quả sau.
Mệnh đề 1.2 (Theo [2]). Cho f
m
(x, y, z) là một đa thức đối xứng thuần
nhất bậc m. Khi đó
f
3
(x, y, z) = aT (x, y, z),
f
4
(x, y, z) = aT (x, y, z)σ
1
,
f
5
(x, y, z) = T (x, y, z)(aσ
2
1
+ bσ
2
),
f
6
(x, y, z) = T (x, y, z)(aσ
3
1
+ bσ
1
σ
2
+ cσ
3
), trong đó a, b, c là các
hằng số.
Định nghĩa 1.18 (Theo [2]). Bình phương của đa thức phản đối xứng đơn
giản nhất gọi là biệt thức.
Như vậy, trong trường hợp hai biến, biệt thức của các biến x, y là
∆(x, y) = (x − y)
2
còn trong trường hợp ba biến, thì biệt thức của các biến x, y, z là
∆(x, y) = T
2
= (x −y)
2
(x − z)
2
(y − z)
2
.
Dễ thấy rằng : ∆(x, y) = σ
2
1
− 4σ
2
. Theo ví dụ (1.3), ta có
∆(x, y, z) = −4σ
3
1
σ
3
+ σ
2
1
σ
2
2
+ 18σ
1
σ
2
σ
3
− 4σ
3
2
− 27σ
2
3
, (1.13)
trong đó σ
1
, σ
2
, σ
3
là các đa thức đối xứng cơ sở.
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 2
Ứng dụng tính chất của đa thức đối
xứng để giải một số bài toán đại số
2.1 Một số bài tập tính toán
Bài 2.1. Cho x +
1
x
= a. Tính M = x
13
+
1
x
13
.
(Đề thi HSG lớp 8, tỉnh Thái Nguyên năm 1997 - 1998).
Lời giải. Sử dụng công thức Waring ta tính s
13
= x
13
+
1
x
13
theo σ
1
=
x +
1
x
= a; σ
2
= x.
1
x
= 1 có:
M = s
13
= 13.
6

m=0
(−1)
m
(13 − m − 1)!
m! (13 − 2m)!
σ
13−2m
1
σ
m
2
=
= σ
13
1
− 13σ
11
1
σ
2
+ 65σ
9
1
σ
2
2
− 156σ
7
1
σ
3
2
+ 182σ
5
1
σ
4
2
− 91σ
3
1
σ
5
2
+ 13σ
1
σ
6
2
=
= a
13
− 13a
11
+ 65a
9
− 156a
7
+ 182a
5
− 91a
3
+ 13a.
Bài 2.2. Tìm hai chữ số tận cùng của phần nguyên số (

29 +

21)
2010
.
Lời giải. Đặt
a = (

29 +

21)
2
= 50 + 2

609,
b = (

29 −

21)
2
= 50 −2

609,
s
n
= a
n
+ b
n
.
Ta có s
1
= σ
1
= 100, σ
2
= ab = 64. Theo công thức Newton thì
s
n+2
= σ
1
s
n+1
− σ
2
s
n
hay
s
n+2
= 100s
n+1
− 64s
n
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Do s
1
= 100 nên s
n+2
chia hết cho 100, với n là 3,5,7, (n là số lẻ). Suy
ra s
1005
= (

29 +

21)
2010
+ (

29 −

21)
2010
chia hết cho 100.
Do 0 < (

29 −

21)
2010
< 1, nên 2 chữ số tận cùng của phần nguyên của
số (

29 +

21)
2010
là 99.
Bài 2.3. Cho dãy số U
n
= (
3 +

5
2
)
n
+ (
3 −

5
2
)
n
−2 (n = 1, 2, 3, , n)
1. Tính 5 số hạng đầu của dãy.
2. Lập công thức tính U
n+2
theo U
n+1
và U
n
.
Lời giải. Đặt a = (
3 +

5
2
); b = (
3 −

5
2
); s
n
= a
n
+ b
n
.
Ta có s
1
= σ
1
= a + b = 3; σ
2
= a.b = 1; s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
.
Áp dụng công thức Newtơn s
n+2
= σ
1
s
n+1
− σ
2
s
n
. Ta có
s
3
= σ
1
s
2
− σ
2
s
1
= 3.7 −1.3 = 18
s
4
= σ
1
s
3
− σ
2
s
2
= 3.18 −1.17 = 37
s
5
= σ
1
s
4
− σ
2
s
3
= 3.37 −1.18 = 93
Mà U
n
= s
n
− 2 nên U
1
= 1; U
2
= 5; U
3
= 16; U
4
= 35; U
5
= 91. Do
s
n
= U
n
+2 nên bằng cách thay vào công thức Newtơn s
n+2
= σ
1
s
n+1
−σ
2
s
n
ta có
U
n+2
+ 2 = 3(U
n+1
+ 2) − 1.(U
n
+ 2)
hay
U
n+2
= 3U
n+1
− U
n
+ 2
Bài 2.4. Cho các số thực dương a, b thỏa mãn: a
100
+ b
100
= a
101
+ b
101
=
a
102
+ b
102
. Tính a
2008
+ b
2008
.
Lời giải. Đặt s
1
= σ
1
= a + b = 3; σ
2
= a.b; s
n
= a
n
+ b
n
. Sử dụng công
thức Newtơn ta có s
102
= σ
1
.s
101
− σ
2
.s
100
mà s
102
= s
101
= s
100
nên
σ
1
−σ
2
= 1 hay a + b −ab −1 = 0 ⇔ (a −1)(b −1) = 0 ⇔ a = b = 1 do
đó s
2008
= a
2008
+ b
2008
= 2.
Bài 2.5. Cho x
1
, x
2
là nghiệm của phương trình x
2
− 2x − 2 = 0. Tính
x
7
1
+ x
7
2
.
Lời giải. Đặt s
n
= x
n
1
+x
n
2
, ta có s
1
= σ
1
= 2; σ
2
= −2; s
2
= σ
2
1
−2σ
2
= 8,
nên theo công thức Newtơn s
n+2
= σ
1
s
n+1
− σ
2
s
n
ta có s
3
= 20; s
4
= 56
Từ hệ quả của công thức Newtơn s
m+n
= s
m
s
n
− σ
n
2
s
m−n
với m > n có
s
7
= s
4
s
3
− σ
3
2
s
1
= 56.20 −(−2)
3
.2 = 1136.
Bài 2.6 (Việt Nam, 1975 (Theo [2])). Không giải phương trình x
3
−x+1 =
0, hãy tính tổng các lũy thừa bậc tám của các nghiệm.
22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lời giải. Gọi x
1
, x
2
, x
3
là các nghiệm của phương trình đã cho. Theo công
thức Viète, ta có σ
1
= x
1
+ x
2
+ x
3
= 0, σ
2
= x
1
x
2
+ x
2
x
3
+ x
1
x
3
=
−1, σ
3
= x
1
x
2
x
3
= −1. Sử dụng công thức Waring, ta có
x
8
1
+ x
8
2
+ x
8
3
= s
8
= s
8
= σ
8
1
−8σ
6
1
σ
2
+ 20σ
4
1
σ
2
2
−16σ
2
1
σ
3
2
+ 2σ
4
2
+ 8σ
5
1
σ
3

−32σ
3
1
σ
2
σ
3
+ 12σ
2
1
σ
2
3
+ 24σ
1
σ
2
2
σ
3
− 8σ
2
σ
2
3
= 10.
Bài 2.7. Tìm đa thức bậc 7 có hệ số nguyên nhận x =
7

3
5
+
7

5
3
làm
nghiệm.
Lời giải. Đặt a =
7

3
5
; b =
7

5
3
.
Đặt s
n
= a
n
+ b
n
, ta có s
1
= σ
1
= a + b = x, σ
2
= ab = 1.
Theo công thức Waring có
s
7
= σ
7
1
− 7σ
5
1
σ
2
+ 14σ
3
1
σ
2
2
− 7σ
1
σ
3
2

3
5
+
5
3
= x
7
− 7x
5
+ 14x
3
− 7x
⇔ 15x
7
− 105x
5
+ 210x
3
− 105x − 34 = 0.
Vậy đa thức bậc 7 cần tìm là 15x
7
− 105x
5
+ 210x
3
− 105x − 34.
Bài 2.8. Cho x
1
, x
2
là nghiệm của phương trình x
2
− 6x + 1 = 0.Chứng
minh rằng s
n
= x
n
1
+ x
n
2
, n ∈ N là số nguyên không chia hết cho 5.
Lời giải.
Ta chứng minh s
n
∈ Z bằng phương pháp quy nạp.
Với n=0 có s
0
= 2 ∈ Z
Với n=1 có s
1
= 6 ∈ Z
Giả sử s
k
, s
k+1
∈ Z, (k ∈ N) ta cần chứng minh s
k+2
∈ Z.
Thật vậy, do s
1
= σ
1
= 6, σ
2
= 1 mà s
k+2
= σ
1
s
k+1
− σ
2
s
k
hay s
k+2
= 6s
k+1
− s
k
. Vậy s
k+2
∈ Z.
Từ kết quả s
k+2
= 6s
k+1
− s
k

s
k+1
= 6s
k
− s
k−1
nên
s
k+2
= 6(6s
k
− s
k−1
) − s
k
= 35s
k
− 5s
k−1
− s
k−1
,
do đó s
k+2
chia hết cho 5 khi và chỉ khi s
k−1
chia hết cho 5 mà s
0
= 2;
s
1
= 6; s
2
= 34 không chia hết cho 5 nên s
n
không chia hết cho 5.
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2 Phân tích đa thức thành nhân tử
Luận văn trình bày hai phương pháp phân tích đa thức đối xứng thành
nhân tử. Phương pháp thứ nhất ta biểu diễn đa thức đã cho theo các đa
thức đối xứng cơ sở σ
1
, σ
2
. Phương pháp thứ hai là phương pháp hệ số bất
định.
Các Bài tập trong mục này được trích dẫn từ [5].
Bài 2.9. Phân tích đa thức sau thành nhân tử
f(x, y) = 2x
4
+ 7x
3
y + 9x
2
y
2
+ 7xy
3
+ 2y
4
Lời giải.Ta có
f(x, y) = 2(x
4
+ y
4
) + 7xy(x
2
+ y
2
) + 9x
2
y
2
= 2s
4
+ 7σ
1
s
2
+ 9σ
2
2
Thay s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
, s
4
= σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
vào biểu thức trên ta được
f(x, y) = 2σ
4
1
− σ
2
1
σ
2
− σ
2
2
Đa thức trên có bậc hai đối với σ
2
và có các nghiệm là: σ
2
= −2σ
2
1
, σ
2
= σ
2
1
,
do đó
f(x, y) = (2σ
2
1
− σ
2
)(σ
2
1
− σ
2
) = (x
2
− xy + y
2
)(2x
2
+ 3xy + y
2
).
Bài 2.10. Phân tích đa thức sau thành nhân tử
f(x, y) = 3x
4
− 8x
3
y + 14x
2
y
2
− 8xy
3
+ 3y
4
.
Lời giải. Ta có
f(x, y) = 3(x
4
+ y
4
) − 8xy(x
2
+ y
2
) + 14x
2
y
2
= 3s
4
− 8σ
2
s
2
+ 14σ
2
2
Thay s
2
= σ
2
1
− 2σ
2
, s
4
= σ
4
1
− 4σ
2
1
σ
2
+ 2σ
2
2
vào biểu thức trên ta được
f(x, y) = 3σ
4
1
− 20σ
2
1
σ
2
+ 36σ
2
2
Đây là một đa thức bậc hai theo σ
2
và không có nghiệm (nghiệm thực). Vì
vậy ta không thể phân tích đa thức thành tích hai nhị thức theo σ
2
, ta vận
dụng phương pháp hệ số bất định thử biểu diễn đa thức đã cho ở dạng
f(x, y) = 3x
4
− 8x
3
y + 14x
2
y
2
− 8xy
3
+ 3y
4
= (Ax
2
+ Bxy + Cy
2
)(Cx
2
+ Bxy + Ay
2
) (2.1)
Đẳng thức (2.1) thỏa mãn với mọi x, y, nên ta sẽ tìm các hệ số A, B, C
bằng phương pháp hệ số bất định như sau:
Với x=y=1, ta có
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×